[论文解读] Microservice-based IoT for Smart Buildings

Dilshat Salikhov, Kevin Khanda+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2016

Context-Aware Activity Recognition Systems参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于微服务的物联网平台，用于智能建筑，采用Jolie编程语言和分布式传感器网络，实现多样化设备的可扩展、灵活且互操作的集成。该原型已在一所真实的学术建筑中部署，通过模块化微服务实现了传感器（温度、运动、光照、门磁、摄像头）与执行器的无缝协调，实现了环境的实时监控与自适应控制，具有节能和提升居住者舒适度的潜力。

ABSTRACT

A large percentage of buildings in domestic or special-purpose is expected to become increasingly "smarter" in the future, due to the immense benefits in terms of energy saving, safety, flexibility, and comfort, that relevant new technologies offer. As concerns hardware, software, or platform level, however, no clearly dominant standards currently exist. Such standards, would ideally, fulfill a number of important desiderata, which are to be touched upon in this paper. Here, we will present a prototype platform for supporting multiple concurrent applications for smart buildings, which is utilizing an advanced sensor network as well as a distributed microservices architecture, centrally featuring the Jolie programming language. The architecture and benefits of our system are discussed, as well as a prototype containing a number of nodes and a user interface, deployed in a real-world academic building environment. Our results illustrate the promising nature of our approach, as well as open avenues for future work towards its wider and larger scale applicability.

研究动机与目标

• 为解决智能建筑自动化中缺乏标准化、开放且可扩展的平台，以支持多样化、并发的应用程序。
• 开发一种灵活、可扩展且互操作的基础设施，用于在真实建筑环境中集成异构物联网设备（传感器和执行器）。
• 评估使用Jolie编程语言实现建筑自动化系统中分布式微服务的可行性与优势。
• 实现实时数据采集与环境参数（温度、照明、人员占用）的自适应控制，以提升能效和居住者舒适度。
• 为统一、可扩展的平台奠定基础，支持人-建筑交互（HBI）以及未来基于人工智能的优化。

提出的方法

• 设计并实现一种基于Jolie编程语言的分布式微服务架构，用于管理物联网设备之间的通信与协调。
• 部署一个异构传感器网络，包括SensorTags（用于温度、运动、光照、湿度）、Raspberry Pi作为中心节点，以及用于人员检测的摄像头。
• 通过自定义Jolie模块集成多种通信协议（ZigBee、BLE、Z-Wave），以实现设备间的互操作性。
• 使用集中式控制系统收集传感器数据，在实时处理后，根据人员占用情况和用户偏好触发执行操作（如照明、电源插座控制）。
• 实现一个基于Telegram的反馈机器人，用于实时收集用户舒适度偏好，提升个性化水平。
• 在为期一个月的时间内收集并分析数据，用于训练预测模型，以优化环境设置。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于Jolie的微服务架构是否能有效实现在真实智能建筑环境中异构物联网设备（传感器和执行器）的集成？
• RQ2 如何通过统一平台同时支持并发、独立的应用程序（如能源管理、人员追踪、舒适度反馈），同时共享同一套基础设施？
• RQ3 在多大程度上可利用实时传感器数据与用户反馈来预测并优化环境条件（温度、照明、湿度），以提升舒适度与节能效果？
• RQ4 在学术建筑中使用开源工具部署一个可扩展、安全且可维护的物联网平台，面临哪些实际挑战？
• RQ5 该平台如何演进以支持自配置和自适应行为，以响应环境与人类需求的变化？

主要发现

• 基于Jolie的微服务架构成功实现了使用单一统一编程模型，对异构物联网设备（ZigBee、BLE、Z-Wave）进行实时、互操作的通信。
• 原型系统可靠地收集了来自多种传感器（温度、运动、光照、门磁、摄像头）的数据，并通过继电器有效控制了照明和电源插座。
• 基于Telegram的反馈系统成功收集了学生和教职工的实时舒适度偏好，实现了环境设置的数据驱动个性化。
• 系统收集了一个月的温度、湿度、光照和人员占用数据，为未来优化室内环境的预测建模奠定了基础。
• 该平台表现出良好的可扩展性和可扩展性，为未来集成新设备和协议，以及部署基于人工智能的优化提供了清晰路径。
• 在真实学术建筑中的部署验证了该方法在实际智能建筑应用中的可行性，具有显著的节能潜力和提升居住者体验的前景。